充液弯管固有频率试验与计算分析

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1、第39卷第2期航空发动机V01．39No．22013年4月AeroengineApr．2013充液弯管固有频率试验与计算分析侯文松-，陈志英‘，邱明星L2，刘中华1(1．北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191；2．中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015)摘要：针对航空发动机管路固有频率的影响，通过对2种材料、8种直径的L型发动机弯管在充入燃油、滑油等不同条件下进行了大量自由态固有频率试验，分析并得到了管路材料、直径、油液质量等参数对发动机充液弯管固有频率的影响规律。采用ANSYS软件管单元方法进行了相应的固有频率有限元

2、计算。通过与试验结果对比分析，验证了用管单元计算方法替代大试验量的高效性和适用性，可为今后的发动机管路敷设工作提供一定的参考。关键词：航空发动机；充液管路；自由态；固有频率；有限元计算0引言航空发动机管路断裂故障率高，而引起外部管路断裂的原因主要包括加工、装配、温度和振动等，其中振动是主要原因¨l。因此，对管路固有频率的分析调整，使其最大限度避免共振显得尤为重要同。目前，国内对发动机数字化管路敷设和调频一般不考虑充液的影响，而且研究方法主要集中在通过调整管路自身参数进行数值仿真计算，最终得到影响发动机管路振动固有频率的参数及变化规律同。数值

3、仿真模拟一般都会对模型进行一定的简化，其结果的准确性需要大量试验去进一步验证同。本文基于航空发动机管路振动故障的影响因素，对2种材料L型发动机弯管进行自由状态下的固有频率试验测定和分析，得到了管路材料、直径以及流体质量对充液弯管固有频率的影响规律p101，为发动机数字化管路敷设设计提供一定的依据。1管路试验内容、条件及方法(1)试验内容。该管路在自由态下对L型弯管固有频率进行测定。(2)试验条件。试验选用1Crl8Ni9Ti和TAl8合金的L型发动机管路，见表l，每根管路总长度为1000mm，长宽比为2：1(如图1所示)，壁厚为1mm，9第

4、2期侯文松等：充液弯管固有频率试验与计算分析85表1L型管路型号材料外径撕nmlCrl8Ni9TiTAl88，12．168，10，12，14，15，16，18，20转弯角度为90。。在20℃静态下，1Crl8Ni9Ti合金的密度为7．9g／cm3，弹性模量为184GPa，泊松比为0．3；TAl8合金的密度为4．47彳谇——————I∈——一-—～{图1L型弯管UG模型eCcm3，弹性模量为96GPa，泊松比为0．39。(3)试验方法。采用锤击法分别对充人燃油和滑油的弯管进行自由态固有频率的测定。试验在20℃静态下，所用燃油密度为0．8g／c

5、m3；滑油密度为0．9g／cm3。试验数据采用表图结合的方式进行处理，并用多项式趋势线对表格数据进行拟合来反映其变化规律。2管路材料、直径和流体密度对L型弯管固有频率的影响2．1管路材料对固有频率的影响航空发动机的管路复杂多样，而燃油管、滑油管和气管数量最多。所用材料大多为钢管，有些特殊部位采用钛管，2种材料性质不同，因此对管路固有频率的影响也不同，见表2。表22种材料弯管的1阶固有频率从表2中数据可见，在相同直径充入相同液体时，充液管路固有频率随管路材料的不同而变化显著，这种变化趋势如图2所示。在3种充液状态下，TAl8合金各种直径的管路

6、固有频率明显低于相同直径的1Crl8Ni9Ti合金的管路固有频率。其中空管固有频率下降为0．26％一9．64％，燃油管固有频率下降为6．56％～18．o％，滑油管下降为0。18．5％。充入液体密度越大，弯管直径越大，TAl8弯管比1Crl8Ni9Ti弯管固有频率下降多。一嘉翥，．。——一燃油．，，7‘’释堪／．／／厶／∥bH10214Jb件往／ram图2材料不同1阶固有频率变化趋势2．2管路直径对固有频率的影响充液弯管固有频率受弯管自身直径变化的影响[61。通过对不同直径充液管路固有频率的测定试验，见表3，得到直径对充液管路固有频率的影响规

7、律，如图3、4所示。表3不同直径弯管的1阶固有频率——多项式(李管)多项式(燃油)多项式‘滑油’．。，，∥么’‘一6810121416管径／mm图3不同直径1Crl8Ni9Ti合金管路1阶固有频率变化趋势从图3、4中可见，2种材料的管路在空管、充燃油、充滑油3种状态下，L型弯管1阶固有频率均随加bm5O蓬瓣骚鲫坫m，o。H，督繇86航空发动机第39卷管路直径的增大而增大，并且均有1个近似斜率。其中，1Crl8Ni9Ti合金管路的固有频率在空管时为4．6Hz，充燃油时为4．0Hz，充滑油时为4．0Hz；TAl8在空管时为3．5Hz，充燃油时为

8、2．6Hz，充滑油时为1．6Hz。管路材料密度越大，充人液体的质量越小，弯管直径的变化对固有频率的影响程度越大。80。70善60婪504(】30多项』I=(空符)——多项』℃(燃